【正文】 還有，衷心感謝博士研究生劉雙強(qiáng)、蔡元學(xué)、李晉、王金芳、姚成寶、吳浩、李庚、范代坤、黨博石等，碩士研究生李庚、范代坤、黨博石、吳昊等，本科生曾超、侯碩本等同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室的日常工作和生活中給予的支持和幫助。感謝博士生張敬的指導(dǎo)，張敬師姐在我的論文領(lǐng)域積累了豐厚的研究基礎(chǔ)，和她的討論令我有很大的收獲。宋老師學(xué)識(shí)淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，在很多在理論和實(shí)驗(yàn)問題上宋老師的指導(dǎo)使我對(duì)課題認(rèn)識(shí)逐步深入，讓我在學(xué)習(xí)上受益匪淺。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)外界折射率測(cè)量的靈敏度達(dá)到1313，這說明這種光纖傳感器對(duì)外界折射率變化的測(cè)量雖有一定精度，但還需進(jìn)一步改進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)過程中：(1) 為了控制半徑的光錐，我們對(duì)拉錐機(jī)參數(shù)之一拉錐時(shí)間2和光錐半徑的關(guān)系進(jìn)行了研究。(2) 兩次實(shí)驗(yàn)中，拉錐機(jī)所制作的雙錐光纖的結(jié)構(gòu)可能略有差別?，F(xiàn)在，我們分別利用這兩組數(shù)據(jù)來計(jì)算傳感器的靈敏度。測(cè)量結(jié)果如表43所示：表43 第二次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果條件輸出功率/uw光錐在5%的蔗糖溶液中光錐在10%的蔗糖溶液中光錐在15%的蔗糖溶液中光錐在20%的蔗糖溶液中光錐在25%的蔗糖溶液中 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析從我們得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道，當(dāng)蔗糖溶液的濃度增加時(shí)，也就是外界液體的折射率增加時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率會(huì)增大。整個(gè)系統(tǒng)的光路調(diào)整完成后，我們依次將5%，10%，15%，20%，25%的5種不同濃度的蔗糖溶液加入到器皿中，注意每次更換蔗糖溶液時(shí)要充分清洗表42 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果條件輸出功率/mw光錐在5%的蔗糖溶液中光錐在10%的蔗糖溶液中光錐在15%的蔗糖溶液中光錐在20%的蔗糖溶液中光錐在25%的蔗糖溶液中器皿和光錐。當(dāng)我們改變光纖的路徑，也就是改變系統(tǒng)中的彎曲損耗，我們發(fā)現(xiàn)光功率計(jì)的顯示結(jié)果也會(huì)隨著變化。其后，就可以用熔接機(jī)將拉錐好的光纖與帶接頭的光纖進(jìn)行熔接。為了解決這個(gè)問題，我們尋找到一塊表面具有小孔的鐵板，并將拉錐好的光纖牢牢地粘在這塊鐵板上，讓光錐結(jié)構(gòu)處于小孔的位置。首先取一段SMF28型號(hào)的光纖，用光纖剝線鉗剝?nèi)ヒ徊糠值耐扛矊?，并用無紡布蘸無水乙醇將光纖擦拭干凈，然后啟動(dòng)光纖熔融拉錐機(jī)，將拉錐參數(shù)（預(yù)熔時(shí)間、預(yù)熔電流、熔接時(shí)間、熔接電流、重疊量、端面角、間隙等）設(shè)定好，調(diào)節(jié)光纖熔融拉錐機(jī)的平臺(tái)，使兩個(gè)平臺(tái)上放置光纖的凹線在同一水平直線上，最后將擦拭好的光纖放置在光纖熔融拉錐機(jī)的平臺(tái)上并固定好。這說明未拉錐的光纖不具有測(cè)量外界折射率的功能。由此可得到蔗糖溶液的濃度和其折射率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為： 蔗糖溶液的配置根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的需求，我需要分別配置質(zhì)量百分比濃度分別為5%，10%，15%，20%，25%的5種不同濃度的蔗糖溶液各250ml。根據(jù)二項(xiàng)式展開定理有： 對(duì)于光波場(chǎng)來說，其頻率很大，當(dāng)溶液的濃度不太大時(shí)，式（414）中第5項(xiàng)后的各項(xiàng)均含有因子 ，因此第5項(xiàng)以后的各項(xiàng)可以忽略不計(jì)。對(duì)于稀薄氣體或者低濃度溶液，其感應(yīng)電極化強(qiáng)度為： 式中N是單位體積中原子的數(shù)量。圖43為電子顯微鏡和CCD觀察到的光錐結(jié)構(gòu)圖，圖44為拉錐時(shí)間2隨光錐半徑變化而變化示意圖。 光波在光纖包層中傳播時(shí)，歸一化頻率滿足：，這里的是錐形區(qū)域沿軸向處光纖的半徑，是外界媒質(zhì)的折射率。從圖42中可以看出，對(duì)于折射率階躍型分布的單模光纖，在常規(guī)工作波長(zhǎng)范圍(600nm～1600nm)，其模場(chǎng)半徑隨工作波長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)近似線性變化的關(guān)系。但是，在低于這一范圍時(shí)，模場(chǎng)半徑隨纖芯半徑的進(jìn)一步減小而迅速增大，并在某一值()處達(dá)最大值，此后又迅速減小直到為零。 拉錐光纖傳感器測(cè)量液體折射率的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 光纖基模場(chǎng)半徑與光纖參數(shù)之間的關(guān)系光纖中傳播的模式有橫模與縱模，而光纖中的主要橫向場(chǎng)分布非常接近于高斯形狀[[] 延鳳平, 張良忠, 單英. 基于平方律和階躍型纖芯折射率分布下光纖模場(chǎng)半徑的數(shù)值分析[J]. 光學(xué)技術(shù), 2000,126(1):66 – 67,70.]，所以單模光纖的主要橫場(chǎng)分量可以寫成為： 式中；是波束寬度參量，即光纖的模場(chǎng)半徑；是導(dǎo)模的傳播常數(shù)。光纖傳感器的基本原理：光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測(cè)各種物理量。(3) 光纖傳感器按光在光纖中被調(diào)制的原理可分為；有光纖頻率調(diào)制傳感器、光纖波長(zhǎng)調(diào)制傳感器、光纖偏振態(tài)調(diào)制傳感器、光纖強(qiáng)度調(diào)制傳感器和光纖相位調(diào)制傳感器。在非功能型光纖傳感器中，光纖僅僅作為傳播光波導(dǎo)的媒介，光纖是不連續(xù)的，其間會(huì)有中斷，中斷部分還必須需要加上其它敏感元件才能組成傳感器。此外，光纖傳感器能夠廣泛應(yīng)用于絕緣子污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。(4) 可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境。 光纖傳感器的特點(diǎn)　　光纖傳感器發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，其可靠性得到了公認(rèn)。第三章 光纖傳感器近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。綜上所述，該器件的光功率轉(zhuǎn)移大小隨耦合強(qiáng)度和耦合區(qū)長(zhǎng)度的變化而周期性變化，而耦合強(qiáng)度隨工作波長(zhǎng)的增大而增大。如果讓兩根光纖的一小段纖芯互相靠近至幾毫米，并使纖芯直徑大幅度減小，就能實(shí)現(xiàn)雙光纖耦合。在衰減場(chǎng)中，光的傳輸特性會(huì)因外界因素（折射率、溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等)間接或直接地發(fā)生變化，通過探測(cè)雙錐形光纖輸出端光功率或光譜響應(yīng)，就可以知道外界參數(shù)的變化情況。這個(gè)時(shí)候，光纖包層相當(dāng)于纖芯，而外界媒質(zhì)相當(dāng)于包層，光纖錐區(qū)的歸一化頻率由得到，這里的是錐形區(qū)域沿軸向處光纖的半徑，是外界媒質(zhì)的折射率。最低級(jí)模式對(duì)它衰減場(chǎng)的束縛是最強(qiáng)的，因此，它的衰減場(chǎng)也是最弱的。當(dāng)時(shí)，光纖中只允許最低階模式（基模）的存在。光纖中存在一個(gè)模式為單模光纖，存在多個(gè)模式為多模光纖。如果我們能看到光纖內(nèi)部的話，我們會(huì)看到一組光線以不同的傳播角傳播，傳播角的值可以從零變到臨界值，其情形如圖24所示?？梢钥闯觯慕Y(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分：2個(gè)過渡區(qū)和和1個(gè)錐腰部分。熔拉法是利用熔接機(jī)、燃燒器或激光器使光纖熔融，并在兩端施以拉力，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。二是化學(xué)溶液腐蝕方法。 雙錐光纖的加工目前國(guó)內(nèi)外加工錐形光纖的方法有3種[[] 張艷麗. 基于雙錐光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)液體濃度測(cè)量的新方法[D]. 吉林：吉林大學(xué), 2008.]。兩光纖端面間的間隙引起的耦合損耗： 式中為兩光纖端面之間的距離。利用透鏡耦合可大大提高耦合效率，分別有端面球透鏡耦合、柱透鏡耦合、凸透鏡耦合、園錐形透鏡耦合、異形透鏡耦合。直接耦合就是把端面已處理的光纖直接對(duì)向激光器的發(fā)光面。由此可見，值和模斑半徑密切相關(guān)，模斑半徑越小，微彎損耗越小。單模光纖宏彎損耗的計(jì)算公式為： 其中為光纖纖芯半徑，為光纖彎曲的曲率半徑，和分別是光纖纖芯和包層的折射率。光纖的制作缺陷包括光纖的折射率分布不均勻、纖芯與包層的界面不理想以及光纖中的氣泡、條紋。在一般的光學(xué)玻璃中都有一些附加元素，其中很多是雜質(zhì)，主要是過渡族金屬離子和。單模光纖只能傳播一種模式，而多模光纖能夠允許多種模式并存?zhèn)鞑?。?dāng)光線以入射角入射到第一個(gè)端面，在光纖內(nèi)成折射角，其中滿足折射定律，和分別是外界環(huán)境和纖芯的折射率。 光纖 光纖的結(jié)構(gòu)光纖一般由纖芯、包層、涂覆層及護(hù)套構(gòu)成，如圖21所示。通過改變雙錐光纖的外界折射率來測(cè)量系統(tǒng)輸出光功率的變化，得到系統(tǒng)輸出光功率與外界折射率的關(guān)系曲線。第2章， 介紹了光纖的基本理論，包括結(jié)構(gòu)、分類、損耗等。錐區(qū)的光譜響應(yīng)是具有干涉特證的并且可以通過伸縮錐區(qū)進(jìn)行調(diào)諧。(2) 利用單模緩錐度光纖實(shí)現(xiàn)窄線寬可調(diào)諧濾波器 在一根單模光纖的某個(gè)位置上拉制一個(gè)錐區(qū)，其光纖直徑會(huì)減小，模場(chǎng)直徑會(huì)相應(yīng)增大。(1) 利用銳錐度光纖實(shí)現(xiàn)平頂光斑的輸出利用銳錐度光纖導(dǎo)致的模式干涉效應(yīng)，可以改變激光光斑強(qiáng)度的分布情況，使原先的高斯型光斑變?yōu)槠巾敼獍?光強(qiáng)均勻分布的光斑)輸出。并且簡(jiǎn)單的錐形光纖可以代替很多昂貴復(fù)雜的光學(xué)器件并且能達(dá)到相同甚至更好的效果，使得它已經(jīng)成為近年來國(guó)內(nèi)外的主要研究對(duì)象之一。短空氣腔兩個(gè)端面的反射光和光纖頭端面的反射光發(fā)生干涉形成了傳感器的反射譜干涉條紋。當(dāng)外界介質(zhì)的折射率增加，導(dǎo)致光纖包層的有效折射率增加，而光纖纖芯的折射率不變，因而光纖纖芯與包層的有效折射率差會(huì)減小。 (6) 基于邁克爾遜干涉效應(yīng)的光纖傳感器這種傳感器的結(jié)